小小昆蟲也有強大學習本領：大腦小並不一定不聰明

大黃蜂有出色的方向感和問題解決能力。

蜻蜓的思考能力令人驚奇。

　　新浪科技訊 北京時間3月4日消息，據國外媒體報道，昆蟲的大腦雖小，本領卻比你想像的強大得多。

　　一隻大黃蜂湊到一朵花跟前，想嘗一嘗可口的花蜜。它繞著花嗡嗡飛了一會兒，意識到有什麼地方不對勁。它只能看到這朵花，卻無法碰到它。

　　這是因為這朵「花」其實是一個藍色的塑料盤，中間放了一些糖水，上面還蓋了一層透明塑料。這隻蜜蜂還算幸運，有一根細線與這朵「花」相連。它只要拉一下這根線，把花拽出來，就可以喝到花蜜了。它也正是這麼做的，「我們剛開始做這個拉線實驗時，它簡直就是個笑話。」倫敦瑪麗女王大學的拉爾斯?奇特卡（Lars Chittka）表示，「我第一次看見時，差點連頭都笑掉了，實在太搞笑了。」

　　但事實沒這麼簡單。一旦一隻蜜蜂研究出怎樣才能喝到花蜜之後，其它蜜蜂都學會了這個方法。這門技能甚至比最初取得成功的那隻蜜蜂活得還要長，成為了這個蜂群「技能庫」的一部分。第一隻學會拉線的蜜蜂死後，這門技術在蜜蜂之間一代代傳了下去，「我簡直不敢相信自己看見了什麼。」奇特卡表示。

　　事實證明，蜜蜂能夠解決問題、相互學習、還會將知識代代相傳，但「學會拉線」只是我們最新了解到的蜜蜂技能之一。早在維多利亞時期，蜜蜂和其它社會性昆蟲的強大學習能力就有了文件記載。

　　達爾文認為，動物還可進行跨物種學習。他注意到，蜜蜂觀察到大黃蜂用一種新方法吸食花蜜後，可能也會學會這種方法。

　　蜜蜂通過學習，還會辨別顏色和圖案。它們能從數公里外找到回家的路嗎？毫無問題。認出人臉？也是小菜一碟。但蜜蜂會使用工具嗎？這個嘛，就是奇特卡接下來想要解答的問題了。

　　上世紀90年代，奇特卡的實驗室開展了一項實驗，研究蜜蜂是否會數數。結果發現，它們可以，「當時我們就有些摸不著頭腦了，」奇特卡表示，「這麼小的大腦，究竟能有多聰明呢？」

　　許多人可能認為，只有體積較大的大腦才能實現複雜行為。畢竟人類的大腦一般都很大，約含有860億個神經元，而且人類是一種極其聰明的物種。這兩點特徵之間一定有所關聯。

　　但科學家對昆蟲和其它小型動物的行為了解得越多，就越發現複雜技能並不一定需要較大的大腦，「我們能讓這些迷你大腦做出多麼驚人的事情呢？」奇特卡問道，「此外，這些長著迷你大腦的生物解開謎題後，我們應該像現在這麼吃驚嗎？」

　　如今看來，後一個問題的答案是否定的：我們不應該感到吃驚。

　　比如說，蜻蜓會在半空中迂迴飛行，抓捕蚊子、蛾子、蝴蝶、甚至其它蜻蜓。這項任務做起來比看起來難得多。每種獵物都有獨特的飛行模式。蜻蜓必須觀察獵物的飛行方式，預測它接下來可能的飛行軌跡，然後在半途中將其截獲。這需要一定的行為靈活度和規劃能力。

　　蜜蜂可以穿過樹木和各式各樣的地標，飛到離蜂巢10公里以外的地方。它們必須尋找最出色的花朵、找到最豐厚的花蜜，並記住它們的位置。它們還要避開掠食者，飛回家中，與同屬一個複雜社會關係的蜜蜂進行交流。

就連線蟲都有學習能力。

　　這些生物的世界十分複雜，要想在其中存活，就要有一定的認知能力，就連一條簡單的、還不足1毫米長、整個神經系統只有302個神經元的線蟲，也有基本的學習和記憶能力。剛孵化的線蟲如果遇到會散發毒素的埃希氏菌，便會在接下來的四天壽命里，記住要時時避開這種細菌。

　　研究人員甚至弄清了各個神經元在這種記憶形成和取回過程中發揮的作用，如果如此微型的大腦能夠實現這些認知功能，它們究竟是如何辦到的呢？要弄清這一點，我們需要從單個神經元、以及其構成的迴路出發。

　　神經元的行為方式有點像電線，將電信號從大腦中的一處轉移到另一處，可以說是「生物版」的計算機電路板。研究這種迴路是理解認知能力的關鍵，而且在只有幾十萬個神經元的小型大腦中更容易研究。小型大腦必須在有限空間中施展最大化的計算能力，因此選擇將「接線」最少化。

　　美國弗吉尼亞詹尼利亞研究所的維威克?加雅拉曼（Vivek Jayaraman）對果蠅展開了研究。果蠅大腦包含25萬個神經元，體積約為蜜蜂的四分之一，「大腦必須解決各種計算問題、才能做出相應行為，」維威克解釋道，「複雜行為便會涉及一大堆這類問題。」

　　維威克是一名通過訓練學成的工程師。他想弄清這種行為背後的機制。大腦是如何實現認知的？為此，他需要觀察行為發生的同時、神經元的所作所為，但我們能進入果蠅的大腦、傾聽它們的想法嗎？從某種意義上來說可以吧。維威克利用了一些強大的研究工具，選擇性地關閉和開啟不同的腦區，然後觀察神經元的實時激活狀態。

果蠅有一種「心靈的眼睛」。

　　例如，他測量的認知能力之一是追蹤你在空間中所處的位置，這是對身邊世界的一種內部表徵。擁有內部表徵意味著，如果你所在房間的燈忽然熄滅，你仍然知道自己面朝哪個方向、門位於何處、以及如何到廚房去拿抽屜里的手電筒。你仍能意識到自己與房間中各個物品的相互位置，知道該如何在這個空間中移動。這就像你「心靈的眼睛」。

　　2015年，維威克和同事們證明，果蠅也有類似的「心靈的眼睛」。

　　他們利用了一種技術，能夠實時觀察到果蠅在虛擬現實世界中穿行時、單個神經元的激活與關閉狀態，實驗中，果蠅在一台迷你跑步機上行走——其實是一個球，會隨著果蠅向前走、停下來、或朝其它方向移動而轉動。與此同時，「跑步機」四周有一個屏幕，研究人員把光線投射到上面，就像「果蠅版」的Imax電影，隨著果蠅在球面上走動，屏幕上的光線也會隨之移動，就好像它們在現實世界中飛行一樣。果蠅如果向左轉，屏幕上的世界也會相應向右移動。

　　在果蠅「巡遊世界」的過程中，研究人員能觀察到果蠅大腦的不同腦區得到激活。然後他們關掉屏幕光線。就像人類一樣，果蠅大腦在光線熄滅後，仍能做出相應反應，就像光線不曾熄滅一樣。也就是說，它也維持了對周圍環境的內部表徵。

　　科學家此前認為，像這樣的認知表徵只有人類這樣的脊椎動物才有，但事實也許並非如此，「這隻小小的昆蟲能在黑暗中安然若素，並且大腦中對自己的位置有一定概念，這點實在了不起。」維威克表示。

　　下一步，研究人員想弄清這種內部表徵是否有一定靈活性。如果你的舍友告訴你，他把手電筒從廚房拿到了卧室，你的內部表徵就必須對這一新信息做出適應，「這對我來說是認知能力的基本構成部分。」維威克說道，「規劃能力建立在內部表徵和記憶的基礎上，而不是僅對眼前所見做出反應。」

　　果蠅能用它小小的大腦做到這一點嗎？我們也許不久便會知道答案了，「有一種普遍想法認為，」奇特卡表示，「就因為人類大腦很大，所以你必須有很大的大腦、才能做出聰明的事情。但事實並不是這樣。」

克拉克灰鳥能記得自己把種子儲存在哪裡。

　　比如，識別人臉的能力一度被認為是人類獨有的能力。但事實證明，只要一個相對簡單的神經元迴路，就能實現這一點。這也許能解釋蜜蜂為何也有識別人臉的能力，「只要幾百、或幾千個神經元，就能輕鬆認出100張人臉。」奇特卡指出。

　　那麼，長這麼大的大腦意義何在呢？

　　大型動物之所以大腦較大，可能是因為電信號要傳播的距離更遠。為了讓電信號以合理的速度傳播，就需要更大的神經元，因為其傳播信號速度比小型神經元更快。因此，鯨魚的大腦和神經元之所以較大，是因為信號要從身體的一端傳播到另一端，需要走過很遠的距離。

　　也可能是這種情況：不需要整個大腦都長得更大，只要其中一部分就行。例如，需要離家較遠、或捕獵場所較多的動物往往海馬體較大，這部分腦區與記憶有關。因此它們可以記住的信息比蜜蜂要多，「如果是這種情況，」奇特卡表示，「大腦增加的可能是信息存儲能力，就像一台硬碟更大、但處理器不一定更好的電腦一樣。大腦體積增大後，當然可以實現其它功能，但其中有些可能相當無聊。」

　　更大的大腦可能只是將同樣的神經迴路多次複製，使大腦的同一種行為有所改進，如更強的記憶能力、更高的敏銳度、更多細節、更高的精細度、反應解析度更高等，但不一定有新的計算能力、或更高的複雜性。

圖為人腦。大小並不能說明一切。

　　奇特卡指出，有時更大的大腦的確意味著更高的複雜度，如人類大腦就是這樣的例子。但情況並非永遠如此，人類總想為自己複雜的大腦抗辯幾句。維威克表示，常有人對他說：「果蠅給你錢了嗎？」他們想知道這對我們研究人類認知能力有什麼意義，「人們覺得這很酷，或者很可愛，」他說道，「但要解釋這項工作的重要性、或者你從中學到了什麼，還要多花些功夫。」

　　他的研究傳達的信息其實很直截了當：如果你想研究某種複雜事物的運作機制，先從研究簡單的事物開始。這裡的「簡單」是個相對說法，因為神經元和彼此之間的連接絕對談不上簡單。「但至少從數字上來說，果蠅大腦中的神經元數量確實更少，更緊湊，同時可以研究好幾個果蠅大腦。」維威克表示，「我也有工具來操縱它們，按我的想法擺弄不同腦區。」

　　正因為如此，他才能解決尚無法在更大的大腦中得到解答的運作機制問題。

　　「我並不是說，這就是認知能力的真相。」維威克解釋道。恰恰相反，他認為這些相對簡單的迴路是認知的基本構件。「我認為哪怕只是實現基本理解，也要花很長時間。但我急得很，我想在自己還活著的時候找到答案。」奇特卡有時也會悲嘆這種在其它動物身上尋找類似動物行為的做法。「我認為這有些乏味，也太狹隘了一點。」

　　動物擁有、而人類沒有的感覺能力，如對紫外線、紅外線、偏振光的覺察能力、或體內自帶的「指南針」，本身就足夠令人著迷。也許我們不該再研究人類意義上的認知能力了，「我覺得昆蟲如此迷人的原因之一就是，它們是如此奇特、如此不同，而且如此不像人類。」奇特卡表示。（葉子）

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